Моделирование измерений углов места маловысотных целей многочастотной радиолокационной станцией с использованием внеосевого метода

Выполнено компьютерное моделирование измерения углов места маловысотных целей над взволнованной поверхностью моря с использованием трехчастотной моноимпульсной радиолокационной станции (РЛС), работающей в режиме внеосевых измерений. Исследованы зависимости статистических характеристик ошибок измерен...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2009
Автор:	Педенко, Ю.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2009
Назва видання:	Радіофізика та електроніка
Теми:	Распространение и рассеяние волн
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105764
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Моделирование измерений углов места маловысотных целей многочастотной радиолокационной станцией с использованием внеосевого метода / Ю.А. Педенко // Радіофізика та електроніка. — 2009. — Т. 14, № 3. — С. 315-322. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-105764
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1057642025-02-09T09:56:06Z Моделирование измерений углов места маловысотных целей многочастотной радиолокационной станцией с использованием внеосевого метода Моделювання вимірів кутів місця маловисотних цілей багаточастотною радіолокаційною станцією з використанням позаосьового методу Modelling of elevation angles measurements of low-altitude targets by multifrequency radar with use of off-axes technique Педенко, Ю.А. Распространение и рассеяние волн Выполнено компьютерное моделирование измерения углов места маловысотных целей над взволнованной поверхностью моря с использованием трехчастотной моноимпульсной радиолокационной станции (РЛС), работающей в режиме внеосевых измерений. Исследованы зависимости статистических характеристик ошибок измерения угла места от разноса частот при различных волнениях моря и фазовых соотношениях между прямым и зеркальным сигналами, принимаемыми от цели. Показано, что увеличение количества рабочих частот моноимпульсной РЛС, работающей в режиме внеосевых измерений, от одной до трех, позволяет существенно уменьшить ошибки измерения угла места маловысотных целей. Виконано комп’ютерне моделювання виміру кутів місця маловисотних цілей над схвильованою поверхнею моря з використанням трьохчастотної моноімпульсної радіолокаційної станції (РЛС), що працює в режимі позаосьових вимірів. Досліджено залежності статистичних характеристик похибок виміру кута місця залежно від розносу частот при різних хвилюваннях моря й фазових співвідношень між прямим і дзеркальним сигналами, прийнятими від ціли. Показано, що збільшення кількості робочих частот моноімпульсної РЛС, що працює в режимі позаосьових вимірів, від однієї до трьох, дозволяє суттєво зменшити похибки виміру кута місця маловисотних цілей. The computer simulation for measuring elevation angles of low-altitude targets above the rough sea surface has been carried out by means of three-frequency monopulse radar with use of off-axes technique. The dependence of statistical characteristics of angle error versus frequency spacing is investigated at various excitements of the sea and phase ratio between a direct and specular signal from the target. It is shown, that at increase а number of working frequencies of the monopulse radar using off-axes technique, up to three, allows to reduce essentially elevation angle errors of the low-altitude targets. 2009 Article Моделирование измерений углов места маловысотных целей многочастотной радиолокационной станцией с использованием внеосевого метода / Ю.А. Педенко // Радіофізика та електроніка. — 2009. — Т. 14, № 3. — С. 315-322. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105764 53.072:681.3:621.396.967 ru Радіофізика та електроніка application/pdf Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Распространение и рассеяние волн Распространение и рассеяние волн
spellingShingle	Распространение и рассеяние волн Распространение и рассеяние волн Педенко, Ю.А. Моделирование измерений углов места маловысотных целей многочастотной радиолокационной станцией с использованием внеосевого метода Радіофізика та електроніка
description	Выполнено компьютерное моделирование измерения углов места маловысотных целей над взволнованной поверхностью моря с использованием трехчастотной моноимпульсной радиолокационной станции (РЛС), работающей в режиме внеосевых измерений. Исследованы зависимости статистических характеристик ошибок измерения угла места от разноса частот при различных волнениях моря и фазовых соотношениях между прямым и зеркальным сигналами, принимаемыми от цели. Показано, что увеличение количества рабочих частот моноимпульсной РЛС, работающей в режиме внеосевых измерений, от одной до трех, позволяет существенно уменьшить ошибки измерения угла места маловысотных целей.
format	Article
author	Педенко, Ю.А.
author_facet	Педенко, Ю.А.
author_sort	Педенко, Ю.А.
title	Моделирование измерений углов места маловысотных целей многочастотной радиолокационной станцией с использованием внеосевого метода
title_short	Моделирование измерений углов места маловысотных целей многочастотной радиолокационной станцией с использованием внеосевого метода
title_full	Моделирование измерений углов места маловысотных целей многочастотной радиолокационной станцией с использованием внеосевого метода
title_fullStr	Моделирование измерений углов места маловысотных целей многочастотной радиолокационной станцией с использованием внеосевого метода
title_full_unstemmed	Моделирование измерений углов места маловысотных целей многочастотной радиолокационной станцией с использованием внеосевого метода
title_sort	моделирование измерений углов места маловысотных целей многочастотной радиолокационной станцией с использованием внеосевого метода
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
publishDate	2009
topic_facet	Распространение и рассеяние волн
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105764
citation_txt	Моделирование измерений углов места маловысотных целей многочастотной радиолокационной станцией с использованием внеосевого метода / Ю.А. Педенко // Радіофізика та електроніка. — 2009. — Т. 14, № 3. — С. 315-322. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
series	Радіофізика та електроніка
work_keys_str_mv	AT pedenkoûa modelirovanieizmerenijuglovmestamalovysotnyhcelejmnogočastotnojradiolokacionnojstanciejsispolʹzovaniemvneosevogometoda AT pedenkoûa modelûvannâvimírívkutívmíscâmalovisotnihcílejbagatočastotnoûradíolokacíjnoûstancíêûzvikoristannâmpozaosʹovogometodu AT pedenkoûa modellingofelevationanglesmeasurementsoflowaltitudetargetsbymultifrequencyradarwithuseofoffaxestechnique
first_indexed	2025-11-25T14:23:49Z
last_indexed	2025-11-25T14:23:49Z
_version_	1849772610888400896
fulltext	__________ ISSN 1028-821X Радиофизика и электроника, том 14, № 3, 2009, с. 315-322 ИРЭ НАН Украины, 2009 УДК 53.072:681.3:621.396.967 МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ УГЛОВ МЕСТА МАЛОВЫСОТНЫХ ЦЕЛЕЙ МНОГОЧАСТОТНОЙ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВНЕОСЕВОГО МЕТОДА Ю. А. Педенко Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины 12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина E-mail: pedenko@ire.kharkov.ua Выполнено компьютерное моделирование измерения углов места маловысотных целей над взволнованной поверхностью моря с использованием трехчастотной моноимпульсной радиолокационной станции (РЛС), работающей в режиме внеосевых изме- рений. Исследованы зависимости статистических характеристик ошибок измерения угла места от разноса частот при различных волнениях моря и фазовых соотношениях между прямым и зеркальным сигналами, принимаемыми от цели. Показано, что увеличе- ние количества рабочих частот моноимпульсной РЛС, работающей в режиме внеосевых измерений, от одной до трех, позволяет существенно уменьшить ошибки измерения угла места маловысотных целей. Ил. 8. Табл. 2. Библиогр.: 7 назв. Ключевые слова: внеосевой метод, многочастотная РЛС, маловысотная цель, многолучевое распространение, измере- ние угла места, моделирование. Известно, что радиолокационное сопро- вождение маловысотных целей происходит в ус- ловиях многолучевого распространения, связан- ного с отражением радиоволн от поверхности суши или моря. Многолучевые сигналы, поступая на вход приемного устройства радиолокационной станции (РЛС) одновременно с полезным прямым сигналом от цели, приводят к ошибкам измерения координат цели, в частности, угла места [1], а также способствуют срыву автосопровождения цели [2]. В последние годы благодаря совершенст- вованию усилителей мощности СВЧ появилась возможность работы РЛС одновременно на не- скольких частотах в диапазоне до 20 % и более от центральной рабочей частоты (см., например, [3]). В работе [4] было показано, что одновременное использование моноимпульсной РЛС нескольких, в частности, трех, рабочих частот позволяет су- щественно, до 2…5 раз, уменьшить ошибки изме- рения угла места маловысотных целей в режиме автосопровождения по нулевому сигналу ошибки угломестного дискриминатора. Однако, как пока- зано в этой же работе, использование многочас- тотного моноимпульсного метода не решает до конца проблему срыва автосопровождения цели. При одночастотной работе, как отмечает- ся в ряде работ, в том числе [5], исключить поте- ри сопровождения и еще более повысить точ- ность измерений по сравнению моноимпульсным методом позволяет внеосевой метод [6]. Точность измерений угла места маловысотных целей при его использовании увеличивается в зависимости от ситуации до нескольких раз по сравнению с моноимпульсным методом в режиме автосопро- вождения. Внеосевой метод реализуют с исполь- зованием обычной моноимпульсной РЛС путем перехода от режима автосопровождения в прямо- отсчетный режим. При этом измерение угла места выполняют при фиксированном положении оси ее антенны под углом места 0,7…0,9Θ0,5, где Θ0,5 – ширина суммарной диаграммы направлен- ности антенны РЛС по уровню половинной мощ- ности. Угол места цели вычисляют, сравнивая значение сигнала ошибки в угломестном канале с известной пеленгационной характеристикой при- емной антенны. Основываясь на положительных резуль- татах работы [4], полученных для режима автосо- провождения, можно ожидать улучшения точно- сти измерения угла места и при использовании внеосевого метода при работе на нескольких час- тотах. Исследованию эффективности многочас- тотного внеосевого метода и посвящена настоя- щая работа. 1. Методика исследований. Исследова- ния проводились путем численного моделирова- ния на ЭВМ по методике, аналогичной приме- нявшейся в работе [4]. Исследования выполня- лись в три этапа. На первом этапе вычислялись комплексные структуры поля в раскрыве верти- кальной эквидистантной линейной решетки. Поля создавались имитатором цели, представляющим собой точечный изотропный многочастотный источник излучения. Для вычислений полей ис- пользовалась методика, описанная в работе [7]. В результате для каждого сочетания геометриче- ских параметров трассы и неровностей поверхно- сти раздела сред получалось достаточно большое количество реализаций поля сигналов, необходи- мое для обеспечения достоверности выводов об ошибках измерения угла места. В соответствии с методикой работы [7] полный сигнал на каждом элементе приемной антенной решетки формировался путем суммиро- вания сигнала от цели, ее зеркального и диффуз- Ю. А. Педенко / Моделирование измерений углов… _________________________________________________________________________________________________________________ 316 ных отражений. Последние представлены дис- кретными сигналами, поступающими от примы- кающих друг к другу элементарных площадок. Эти площадки расположены в пределах «блестя- щей» поверхности [1], представляющей собой узкую вытянутую вдоль трассы дорожку. Фазо- вый центр каждой из элементарных площадок расположен случайно в пределах ее продольного размера, амплитуда отраженного от нее сигнала распределена по закону Рэлея, а фаза – равномер- но на интервале от 0 до 2π. При вычислении дис- танционной зависимости мощности диффузной компоненты значение бистатического сечения рассеяния поверхности, в соответствии с вывода- ми работы [7], принималось постоянным вдоль всей трассы распространения радиоволн. При вычислении поля сигналов исполь- зовался ряд допущений. Так, фаза отражения, амплитуда и положение фазовых центров площа- док вдоль дистанции, относящихся к текущей реализации поля, считались одинаковыми на всех рабочих частотах. Это было вызвано тем, что в рамках используемой модели поля [7] эти вели- чины не имеют прямой функциональной зависи- мости от частоты сигнала. В действительности же, вследствие того, что отражение от каждой из площадок является суперпозицией отражений от элементарных отражателей, расположенных в ее пределах, зависимость перечисленных величин от рабочей частоты реально существует. Следствием этого является факт – степень частотной декорре- ляции сигналов на приемной антенной решетке при моделировании будет меньше, чем в реаль- ных условиях. В связи с этим ожидаемое улучше- ние эффективности многочастотного внеосевого метода по сравнению с одночастотным по резуль- татам моделирования следует рассматривать в качестве нижнего предела такого улучшения. В результате выполнения первого этапа создавалась база данных, содержащая реализации комплексных сигналов на вертикальной антенной решетке knA (k – порядковый номер рабочей час- тоты РЛС; n = 1, 2, …N – номер элемента решет- ки, начиная с нижнего; N – количество элемен- тов решетки). Для каждой исходной ситуации, определявшейся высотой РЛС, дистанцией, углом места цели и степенью волнения моря, рассчиты- валось достаточно большое количество реализа- ций ,knA отличавшихся друг от друга только на- бором случайных диффузных отражений. Количество реализаций для каждого со- четания параметров трассы составляло по 10 000 для каждой из рабочих частот. Количество рабо- чих частот K было выбрано небольшим, равным трем (k = –1, 0, 1), а разносы между крайними из них – 0, 4, 8, 12 и 16 % от центральной частоты, так, чтобы их можно было легко реализовать на практике. На втором этапе моделировалось измере- ние угла места. Суммарный (Σ) и разностный (Δ) сигналы, соответствующие сигналам моноим- пульсной амплитудной суммарно-разностной РЛС, вычислялись в виде ( )0)( 1 )( sinexp Θ= ΔΣ = ΔΣ ∑ nkn N n nkk jGAU χ , (1) где ( )12 −−= Nnd k kn λ πχ – фазовое смещение n-го элемента решетки относительно ее центра; d – шаг антенной решетки; Θ0,5 – угол фиксации равносигнального направления (РСН) по углу места (при внеосевых измерениях часто называ- ется углом стопорения), в данной работе, как и в работе [5], Θ0=0,8Θ0,5; nG )(ΔΣ – значение апер- турной функции, относящееся к n-му элементу решетки. Указанный угол стопорения опреде- лялся относительно направления на точку, ле- жащую под целью на среднем уровне поверхнос- ти раздела, т. е. относительно направления на условный горизонт. Вид апертурных функций, использовав- шихся для формирования суммарной и разност- ной диаграмм направленности (ДН) приемной антенны, в нашем случае определен в виде ),sinsin( ),sincos( ΔΘ= ΔΘ= Δ Σ nnn nnn jgG gG χ χ (2) где gn – значение апертурной функции парциаль- ной ДН, относящееся к n-му элементу решетки; ΔΘ – отклонение парциальных диаграмм в верти- кальной плоскости от РСН. Следует отметить, что апертурные функ- ции (2) реализуют суммарную и разностную ДН, полученные путем сложения и вычитания разне- сенных по углу места симметричных парциаль- ных ДН, формируемых, например, зеркальной антенной, снабженной двухрупорным облучате- лем. Апертурная функция парциальной ДН в на- шем случае была задана в виде косинусного на пьедестале амплитудного распределения: ( ) ( ) , 2 12cos1 00 n Nngggn −− −+= π (3) где g0 – значение апертурной функции парциаль- ной ДН на краях антенной решетки. С целью иск- лючения дополнительных главных лепестков синтезируемых ДН расстояние между элементами решетки было выбрано λ0/2, где λ0 = 3,2 см – дли- на волны на центральной частоте. При разносе между осями парциальных диаграмм 2ΔΘ = λ0/Nd и количестве элементов решетки N = 156 верти- кальный размер решетки составил 2,5 м. При этом ширина суммарной ДН по уровню половин- Ю. А. Педенко / Моделирование измерений углов… _________________________________________________________________________________________________________________ 317 ной мощности Θ0,5 при g0 = 0,2 равнялась 17,5 мрад (≈ 1°), а уровень первого бокового ле- пестка суммарной ДН составил –31,2 дБ. Сигнал ошибки, используемый при изме- рении угла места, формировался в виде среднего значения действительной части отношения раз- ностного сигнала к суммарному, полученного на трех частотах: ( )∑ −= ΣΔ= 1 1 Re 3 1 k kk UUδ . (4) Для каждой реализации поля измерение угла места выполнялось следующим образом: вы- числялось значение сигнала ошибки при угле мес- та РСН, равном углу стопорения, далее определял- ся угол места источника излучения относительно РСН путем сравнения значения сигнала ошибки с пеленгационной характеристикой антенной систе- мы, к найденному углу добавлялось значение угла стопорения Θ0. В качестве пеленгационной харак- теристики использовалась характеристика, отно- сящаяся к центральной рабочей длине волны. На третьем этапе проводилась статистиче- ская обработка полученных результатов. При ее выполнении вычислялись средние значения оши- бок измерения угла места и среднеквадратичное отклонение ошибок измерения угла места в зави- симости от разности фаз между прямым и зеркаль- но отраженным сигналом для каждого из разносов рабочих частот РЛС. Были получены среднеквад- ратические ошибки измерения (усредненные по диапазону разностей фаз от 0 до 2π) в функции величины частотного разноса, а также законы рас- пределения ошибок измерения угла места цели. При моделировании были выбраны ти- пичные исходные условия, имеющие место в ре- альной ситуации. Эти же условия использовались и в работах [4, 5], что позволяет более достоверно сравнивать различные методы измерения угла места. Условия приведены в табл. 1 и 2, где D – расстояние между источником излучения и ан- тенной РЛС; hr – высота центра антенны РЛС над поверхностью моря; βmax – максимальный наклон неровностей морской поверхности при равномер- ном распределении наклонов; εист – угловая высо- та источника излучения над поверхностью разде- ла. Параметры шероховатости, приведенные в табл. 2, вычислялись в виде ( ),sin 0λψσ shq = (5) где σh – среднеквадратическая высота неровно- стей (морских волн); ψs – угол скольжения радио- волны в точке зеркального отражения. Таблица 1 Параметры трассы D, км hr, м βmax, рад εист / Θ0,5 2 12 0,05 0,2–0,5 Таблица 2 Параметры шероховатости (q) и соответствующие им коэффициенты диффузного (ρd) и зеркального (ρs) отражения q ρd /ρs 0,031 0,052 0,074 0,093 0,10/0,93 0,20/0,81 0,30/0,65 0,36/0,50 Исследование ошибок проводилось в диапазоне разностей фаз между прямым и зер- кальным сигналами в центре решетки Δϕ0 = 0, 20, 40…180°, относящихся к центральной рабочей частоте. При моделировании заданные значения разности фаз при неизменных остальных пара- метрах задавались путем искусственного измене- ния фазы отражения зеркального сигнала от по- верхности раздела (в действительности фаза от- ражения при скользящих углах распространения радиоволн близка к 180°). Требуемого результата можно достичь и другими способами, например, за счет изменения высоты антенны РЛС либо ра- бочих частот. Однако выбранный путь способст- вовал упрощению процесса моделирования и ин- терпретации получаемых результатов. Далее, следует считать, что статистики ошибок, относя- щиеся к некоторой разности фаз Δϕ0, будут иметь место и при разности фаз ±Δϕ0 + 2πn, где n – це- лое число, при сохранении значений остальных параметров. Степень подавления принимаемых сиг- налов для различных углов места цели можно оценить с помощью рис. 1. На нем приведены суммарная и разностная ДН приемной антенны. Направление на условный горизонт обозначено вертикальной стрелкой, а заштрихованные облас- ти, расположенные симметрично указанной стрелки, обозначают диапазоны углов места зер- кального отражения (слева) и прямого сигнала (справа), использованные при моделировании. Внешние границы указанных областей относятся к углу места цели 0,5Θ0,5, а внутренние – к 0,2Θ0,5. 2. Законы распределения ошибок из- мерения угла места. Анализ гистограмм распре- деления ошибок показывает, что законы распре- деления ошибок как при одночастотной, так и при многочастотной работе однотипны. Это практически симметричные распределения, близ- кие в области максимальных значений к нор- мальному распределению. Примеры гистограмм распределений для случая, когда преобладают ошибки, связанные с зеркальным отражением, приведены на рис. 2, 3. Переменная F обозначает количество попаданий (при 10 000 испытаний) в соответствующий карман гистограммы шири- Ю. А. Педенко / Моделирование измерений углов… _________________________________________________________________________________________________________________ 318 ной 0,5 % от Θ0,5. Гистограммы дополнены ап- проксимациями распределений ошибок измере- ния угла места нормальным законом. Рис. 1. Нормированные диаграммы направленности приемной антенны: Δ – разностная, ∑ – суммарная Из этих рисунков видно, что разброс ошибок при многочастотной работе меньше, чем при одночастотной, а ошибки измерения сосредо- точены вблизи нулевых значений. Сравнение вы- соты максимумов для одночастотного и трехчас- тостного случая на рис. 2, а, в говорит о том, что в минимуме поля ошибки снижаются в большей степени, чем в его максимуме. При угле места цели 0,5Θ0,5 зеркальное отражение значительно подавлено по сравнению с прямым сигналом от цели (в суммарном канале на 31,3 дБ, а в разностном – на 26,9 дБ, это видно из рис. 1), поэтому ошибки измерения угла места здесь обусловлены в основном диффузным отра- жением. Распределения, полученные для этого случая, представлены на рис. 3. Они показаны только для минимума поля (Δϕ0 = 180°), так как вследствие малости зеркального отражения их вид практически повторяется и при других фазо- вых соотношениях между прямым и зеркальным сигналами. 3. Средние значения ошибок измере- ния угла места. Рассмотрим зависимости сред- них ошибок измерения угла места < Δε > от раз- ности фаз Δϕ0 между прямым и зеркальным сиг- налами. Заметим, что все разности фаз между указанными сигналами, а также минимум и мак- симум поля в центре антенной решетки при даль- нейшем изложении будем относить к централь- ной частоте. Улучшение характеристик много- частотного внеосевого метода будем указывать по отношению к аналогичным характеристикам одночастотного внеосевого метода, для которого 2Δ f /f0 = 0 %. Рис. 2. Распределения ошибок измерения угла места для случая εист = 0,3Θ0,5; ρd = 0,35; ρs = 0,5: а) – Δϕ0 = 0°; б) –Δϕ0 = 100°; в) – Δϕ0 = 180°: 2Δf/ f0 = 0 % – ; 16 % – Рис. 3. Распределения ошибок измерения угла места для случая εист = 0,5Θ0,5; ρd = 0,35; ρs = 0,5, Δϕ0 =180°: 2Δf / f0 = 0 % – ; 16 % – Ю. А. Педенко / Моделирование измерений углов… _________________________________________________________________________________________________________________ 319 Обсуждение проведем, используя в каче- стве иллюстраций зависимости средних ошибок от разности фаз между прямым и зеркальным сигналами, представленные на рис. 4, а–7, а. Эти зависимости получены при различных углах мес- та цели для случая, характеризующегося доста- точно высокими коэффициентами как зеркально- го, так и диффузного отражения (ρd = 0,30; ρs = 0,65). Рис. 4. Средние ошибки (а) и среднеквадратичные отклонения ошибок (б) при εист = 0,2Θ: 2Δf / f0 = 0 % – ; 4 % – ; 8 % – ; 12 % – ; 16 % – Первая особенность средних ошибок со- стоит в том, что при увеличении разноса частот наблюдается существенное их уменьшение, осо- бенно вблизи интерференционных экстремумов поля (Δϕ0 = 0, Δϕ0 = 180°). Степень уменьшения усиливается с ростом угла места. Если при угле места 0,2 5,0Θ уменьшение ошибок составляло приблизительно 1,5…3 раза (меньшие значения относятся к максимуму поля, большие – к мини- муму), то начиная с угла 0,3Θ0,5 это улучшение при некоторых разностях фаз на порядок выше. С ростом разноса частот и угла места це- ли нарушается монотонная зависимость измене- ния средних ошибок, присущая одночастотному варианту работы РЛС. Так, на рис. 2, а, относя- щемся к наименьшему углу цели, для всех ис- пользованных разносов частоты характерно из- менение средних ошибок от отрицательных зна- чений в максимуме поля к положительным – в минимуме. Однако начиная с угла места 0,3Θ0,5 (рис. 3, а) при разносах 12 % и более зависимости средних ошибок от разности фаз утрачивают мо- нотонность. Более того, при некоторых достаточ- но больших частотных разносах средняя ошибка в экстремумах поля может изменить знак на про- тивоположный по сравнению с одночастотным вариантом (рис. 4, а). Это происходит за счет сиг- налов боковых частот, на которых фаза интерфе- ренции меняется на противоположную относи- тельно центральной частоты. Рис. 5. Средние ошибки (а) и среднеквадратичные отклонения ошибок (б) при εист = 0,3Θ0,5: обозначения кривых, как на рис. 4 Рис. 6. Средние ошибки (а) и среднеквадратичные отклонения ошибок (б) при εист = 0,4Θ0,5: обозначения кривых, как на рис. 4 , % , % , градусы , % , % , градусы , градусы , % , % Ю. А. Педенко / Моделирование измерений углов… _________________________________________________________________________________________________________________ 320 Рис. 7. Средние ошибки (а) и среднеквадратичные отклонения ошибок (б) при εист = 0,5Θ0,5: обозначения кривых, как на рис. 4 Для каждого сочетания геометрических параметров трассы можно выбрать такой разнос частот, при котором кривая средних ошибок рас- положена вблизи нулевых значений во всем диа- пазоне разностей фаз. Как показал анализ полу- ченных данных, наименьшие средние ошибки при работе на трех частотах реализуются, если отли- чие разностей фаз между прямым и зеркальным сигналами на соседних частотах составляет около 2π/3. Разнос соседних частот должен при этом отвечать условию trhh Dcf 6 ≈Δ , (6) действительному при ,, эaDhh tr <<<< где hr, ht – соответственно высоты антенны РЛС и цели; D – расстояние между РЛС и целью; c – скорость света; aэ – эквивалентный радиус Земли. В част- ности, данные, представленные на рис. 4, полу- ченные при угле места 0,4Θ0,5 и разносе 2Δf / f0 = 12 %, практически соответствуют усло- вию (6), которое для данной геометрии трассы дает значение 12,6 %. Заслуживает внимания то, что необходимый разнос частот определяется лишь геометрическими параметрами трассы. Это значит, что выполнение условия (6) с ростом ра- бочей частоты облегчается вследствие уменьше- ния требуемого относительного разноса частот. Условие (6) совпадает с аналогичным условием работы [4] для режима автосопровождения. При угле места цели 0,5Θ0,5 (рис. 7, а) средние ошибки получились очень малыми при всех использованных частотных разносах. При этом наибольшие средние ошибки даже при наи- более неблагоприятном случае (ρs = 0,92) по мо- дулю незначительно превышали 0,01Θ0,5. Это явилось следствием того, что при этом угле места зеркальное отражение значительно подавлено по сравнению с прямым сигналом от цели, о чем говорилось выше. 4. Среднеквадратические отклонения ошибок измерения угла места цели. Особенно- сти флуктуаций ошибок можно наблюдать на рис. 4, б – 7, б. Прежде всего следует отметить, что их уменьшение при переходе в многочастот- ный режим наблюдается при всех исходных ус- ловиях, использовавшихся при моделировании. Значительно, что степень уменьшения ошибок более заметна в тех случаях, когда при одночастотной работе наблюдаются наибольшие флуктуации ошибок, т. е. вблизи минимумов поля при малых углах места. Так, при εист = 0,2Θ0,5 и 2Δf / f0 = 16 % улучшение составляет 2,4…3,3 раза для случая Δϕ0 = 180° и до двух раз при Δϕ0 = 0°. Благодаря этому при многочастотной работе флуктуации ошибок становятся более равномер- ными во всем диапазоне разностей фаз. При угле места 0,5Θ0,5, где ошибки обу- словлены практически только диффузным отра- жением, флуктуации уменьшаются при разносе частот 2Δf / f0 = 16 % в среднем в 1,65 раза при любых разностях фаз и неровностях поверхности. 5. Среднеквадратические ошибки. Наиболее общее представление об эффективно- сти многочастотного внеосевого метода можно получить, используя для анализа зависимости среднеквадратических ошибок от разноса частот. Эти ошибки получаем путем усреднения на ин- тервале разностей фаз между прямым и зеркаль- ным сигналами от 0 до 2π : , 2 2 0 22 0 2 скв M M m Mm∑ = −− = εεε ε (7) где ;222 mmm εσεε +>Δ<= m = 0, 1, 2 …M – номер фазового сдвига, при котором получены m-е зна- чения средней ошибки и среднеквадратического отклонения ошибки, в соответствии с выражени- ем Δϕ0m = mπ/M. Рассматриваемые зависимости представ- лены на рис. 8. Каждый из четырех приведенных графиков получен при соответствующем угле места источника излучения от 0,2 до 0,5Θ0,5 и содержит по четыре кривых, относящихся к раз- личным степеням неровности подстилающей по- верхности. Интересно отметить, что при углах места 0,2 и 0,3 5,0Θ среднеквадратические ошибки обу- словлены в основном зеркальным отражением (чем больше зеркальное отражение, тем выше расположена кривая ошибок), а при угле 0,5 5,0Θ – диффузным (кривые расположены в обратном порядке). При угле места 0,4 5,0Θ зависимости , % , % , градусы Ю. А. Педенко / Моделирование измерений углов… _________________________________________________________________________________________________________________ 321 среднеквадратических ошибок от разности фаз расположены близко друг к другу при различных сочетаниях коэффициентов зеркального и диф- фузного отражений. Рис. 8. Среднеквадратические ошибки измерения угла места: а) – εист = 0,2Θ0,5; б) – εист = 0,3Θ0,5; в) – εист = 0,4Θ0,5; г) – εист = 0,5Θ0,5; ρd /ρs = 0,10/0,93 – ; 0,20/0,81 – ; 0,30/0,65 – ; 0,36/0,5 – Здесь степень подавления зеркального сигнала приемной антенной такова, что измене- ние величины ошибок, обусловленных зеркаль- ным отражением, компенсируется обратным из- менением величины ошибок, вызванных диффуз- ным отражением. Как видно из графиков, измерение угла места с использованием трехчастотного внеосе- вого метода является эффективным средством уменьшения ошибок измерения угла места мало- высотных целей. Степень уменьшения зависит как от неровности поверхности раздела, так и от угла места цели. Наиболее существенное умень- шение ошибок происходит при углах места цели 0,3Θ0,5 и выше, где оно достигает 2…3 и более раз. Использование разноса частот 16 % обеспе- чивает в этом диапазоне углов места достаточно малую величину среднеквадратических ошибок, не превышающую значение 0,02Θ0,5 при всех ис- пользовавшихся параметрах, которые характери- зуют состояние поверхности моря. Выводы. С использованием разработан- ной ранее модели поля многолучевого сигнала над взволнованной морской поверхностью вы- полнено статистическое компьютерное модели- рование внеосевого метода измерения угла места маловысотных целей с использованием суммар- но-разностной амплитудной РЛС. Особенность измерений состояла в том, что они осуществля- лись с использованием трех эквидистантно разне- сенных рабочих частот, а формирование сигнала ошибки – путем усреднения сигналов ошибок на этих частотах. Установлено, что при внеосевых измере- ний переход от одночастотного режима работы к работе на трех частотах позволяет существенно, до нескольких раз, уменьшить ошибки измерения угла места маловысотных целей. При углах места 0,3…0,5 5,0Θ и увеличении разноса между край- ними частотами до 16 % от центральной частоты максимальная среднеквадратичная ошибка изме- рения угла места не превышает значения 0,02 5,0Θ практически при любой степени неров- ностей поверхности раздела. Следует отметить, что полученные ре- зультаты могут быть реализованы на практике, так как разносы частот, необходимые для этого, не превышают предельных, освоенных современ- ной техникой СВЧ. 1. Бартон Д. Радиолокационное сопровождение целей при малых углах места // Тр. Ин-та инж. по электротехнике и радиоэлектрон. – 1974. – 62, № 6. – С. 37–61. 2. Dax P. R. Keep track of that low-flying attack // Microwaves. – 1976. – 15, No. 4. – P. 36–51. 3. De Hek A. P., Hunneman P. A. H. Small sized high-gain PHEMT high-power amplifiers for X-BAND applications // Proc. Gallium Arsenide applications symposium. GAAS 2000. – Paris, 2000. – P. 221–223. Ю. А. Педенко / Моделирование измерений углов… _________________________________________________________________________________________________________________ 322 4. Педенко Ю. А. Моделирование измерения углов места маловысотных целей многочастотной моноимпульсной РЛС // Радиофизика и электроника. – Харьков: Ин-т ра- диофизики и электрон. НАН Украины. – 2009. – 14, № 1. – С. 35–42. 5. Разсказовский В. Б., Педенко Ю. А. Радиолокационное сопровождение маловысотных целей над поверхностью моря // Радиофизика и электроника. – Харьков: Ин-т радио- физики и электрон. НАН Украины. – 2006. – 11, № 3. – С. 377–384. 6. Dax P. R. Accurate tracking of low elevation targets over the sea with a monopulse radar // IEE Radar Conf. Publ. 105, Ra- dar – Present and Future. London, 1973. – P. 160–165. 7. Разсказовский В. Б., Педенко Ю. А. Модель поля миллимет- ровых и сантиметровых волн над морем для исследования методов измерения углов места низколетящих целей // Ра- диофизика и электроника. – Харьков: Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. – 2003. – 8, № 1. – С. 22–23. MODELLING OF ELEVATION ANGLES MEASUREMENTS OF LOW-ALTITUDE TARGETS BY MULTIFREQUENCY RADAR WITH USE OF OFF-AXES TECHNIQUE Yu. A. Pedenko The computer simulation for measuring elevation an- gles of low-altitude targets above the rough sea surface has been carried out by means of three-frequency monopulse radar with use of off-axes technique. The dependence of statistical characteristics of angle error versus frequency spacing is investigated at various excitements of the sea and phase ratio between a direct and specu- lar signal from the target. It is shown, that at increase а number of working frequencies of the monopulse radar using off-axes tech- nique, up to three, allows to reduce essentially elevation angle errors of the low-altitude targets. Key words: off-axes technique, monopulse radar, mul- tifrequency radar, low-altitude target, multipath, elevation angle, computer simulation. МОДЕЛЮВАННЯ ВИМІРІВ КУТІВ МІСЦЯ МАЛОВИСОТНИХ ЦІЛЕЙ БАГАТОЧАСТОТНОЮ РАДІОЛОКАЦІЙНОЮ СТАНЦІЄЮ З ВИКОРИСТАННЯМ ПОЗАОСЬОВОГО МЕТОДУ Ю. О. Педенко Виконано комп’ютерне моделювання виміру кутів місця маловисотних цілей над схвильованою поверхнею моря з використанням трьохчастотної моноімпульсної радіолока- ційної станції (РЛС), що працює в режимі позаосьових вимі- рів. Досліджено залежності статистичних характеристик по- хибок виміру кута місця залежно від розносу частот при різ- них хвилюваннях моря й фазових співвідношень між прямим і дзеркальним сигналами, прийнятими від ціли. Показано, що збільшення кількості робочих частот моноімпульсної РЛС, що працює в режимі позаосьових вимірів, від однієї до трьох, дозволяє суттєво зменшити похибки виміру кута місця мало- висотних цілей. Ключові слова: позаосьовий метод, багаточастотна РЛС, маловисотна ціль, багатопроменеве поширення, вимір кута місця, моделювання. Рукопись поступила 12 июля 2009 г.

Моделирование измерений углов места маловысотных целей многочастотной радиолокационной станцией с использованием внеосевого метода

Репозитарії

Схожі ресурси